GB/T 46774—2025金屬材料高應(yīng)變速率動(dòng)態(tài)斷裂韌度-試驗(yàn)方法

1范圍

本文件規(guī)定了金屬材料高應(yīng)變速率動(dòng)態(tài)斷裂韌度試驗(yàn)方法的原理、試樣、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值修約和試驗(yàn)報(bào)告。

本文件適用于高應(yīng)變速率(應(yīng)力強(qiáng)度因子變化速率大于3 MPa·m1/2s-1)下金屬材料動(dòng)態(tài)斷裂韌度的測(cè)定。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中,注日期的引用文件,僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。

GB/T 3808擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)

GB/T 8170數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定

GB/T 19748金屬材料夏比V型缺口擺錘沖擊試驗(yàn)儀器化試驗(yàn)方法

GB/T 20832金屬材料試樣軸線相對(duì)于產(chǎn)品織構(gòu)的標(biāo)識(shí)

GB/T 21143—2025金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法

JJF 1445落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范

3術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T 21143—2025界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1動(dòng)態(tài)斷裂吸收能量dynamic fractureabsorbed energy

Es:含裂紋試樣在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中吸收的能量,由力-位移所圍成的面積計(jì)算得到。

3.2脆性啟裂時(shí)長(zhǎng)brittle initiation time

Tm:用于計(jì)算dK/dt的試驗(yàn)時(shí)間,即載荷開(kāi)始上升到脆性斷裂的時(shí)間。

3.3

動(dòng)態(tài)斷裂韌度dynamic fracture toughness

KId,JId:動(dòng)態(tài)加載下與材料臨界啟裂相關(guān)的K因子或J積分。

4符號(hào)和說(shuō)明

本文件采用的符號(hào)和說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1符號(hào)和說(shuō)明

5原理

在規(guī)定的溫度下,對(duì)預(yù)制裂紋試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載直至試樣完全斷裂,獲得試驗(yàn)中力、位移隨時(shí)間變化的曲線,對(duì)力-位移曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,獲得試樣在特定約束下的動(dòng)態(tài)斷裂吸收能量,以評(píng)價(jià)材料的動(dòng)態(tài)斷裂性能;或?qū)︻A(yù)制裂紋試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載至一定裂紋擴(kuò)展量,測(cè)量材料的動(dòng)態(tài)斷裂阻力曲線、臨界動(dòng)態(tài)斷裂韌度等。

6試樣

6.1試樣形狀和尺寸

6.1.1試樣宜采用圖1所示的緊湊拉伸試樣或圖2所示的三點(diǎn)彎曲試樣。

6.1.2在試驗(yàn)機(jī)載荷量程及夾具夾持能力允許的前提下,為滿足8.6.2.4和8.6.3.4.3給出的試樣有效性判定條件,試樣厚度宜盡量接近被測(cè)構(gòu)件的原始厚度。

注1:h=0.275W±0.005W或0.375W±0.005W。

注2:引發(fā)裂紋缺口尖端的縱切面(A面)與試樣左右兩端面保持等間距且距離之差在0.005W以內(nèi)。

注3:0.8≤W/B≤4.0(一般取W/B=2)。

注4:0.45≤a/W≤0.7。

注5:裂紋尺寸(a/W)與材料的動(dòng)態(tài)韌-脆轉(zhuǎn)變特性具有強(qiáng)相關(guān)性,裂紋尺寸越大材料沖擊脆化速率越低。

注6:表面粗糙度Ra單位為微米(μm)。

圖1緊湊拉伸試樣

注1:引發(fā)裂紋缺口尖端的縱切面(A面)與試樣左右兩端面保持等間距且距離之差在0.005W以內(nèi)。

注2:1.00≤W/B≤4.0(一般取W/B=2)。

注3:0.45≤a/W≤0.7。

注4:裂紋尺寸(a/W)對(duì)材料的動(dòng)態(tài)韌-脆特性具有強(qiáng)相關(guān)性,裂紋尺寸越大材料沖擊脆化速率越低。

注5:表面粗糙度Ra單位為微米(μm)。

圖2三點(diǎn)彎曲試樣

6.2試樣側(cè)槽

6.2.1本試驗(yàn)的試樣可為無(wú)側(cè)槽試樣或開(kāi)側(cè)槽試樣。試樣厚度兩側(cè)開(kāi)對(duì)稱側(cè)槽,兩側(cè)槽應(yīng)深度相等,側(cè)槽角度為30°~90°(含30°、90°),底部半徑為(0.4±0.2)mm。側(cè)槽深度B-BN不應(yīng)超過(guò)0.2B,除了特殊的情況外,應(yīng)在預(yù)制疲勞裂紋后開(kāi)側(cè)槽。

注:對(duì)于一些材料,為了協(xié)助預(yù)制疲勞裂紋,在預(yù)制疲勞裂紋前開(kāi)一個(gè)淺側(cè)槽(低于全尺寸的5%)是允許的。預(yù)制完疲勞裂紋,再將淺側(cè)槽開(kāi)到全深度尺寸。

6.2.2推薦奧氏體鋼的側(cè)槽角度為90°,因?yàn)樵谠嚇颖趁娈a(chǎn)生的較大位移,可能導(dǎo)致側(cè)槽部分或完全閉合。

6.3試樣制備

6.3.1原始狀態(tài)試樣應(yīng)從最終熱處理狀態(tài)和(或)機(jī)械加工狀態(tài)下的材料上截取。

6.3.2服役狀態(tài)試樣應(yīng)從服役狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)上截取。

6.3.3在機(jī)械加工之前確定裂紋平面取向,應(yīng)與GB/T 20832標(biāo)識(shí)一致,同時(shí)要記錄試樣和材料的其他信息。

6.3.4機(jī)械加工參照GB/T 21143—2025中第5章的要求。

注1:當(dāng)試樣不能從其最終熱處理狀態(tài)下截取時(shí),最終熱處理能在機(jī)械加工后滿足了試樣的尺寸、公差、形狀和表面

光潔度要求時(shí),并充分考慮了由于特殊的熱處理(如鋼的水淬)而帶來(lái)的試樣尺寸變化等影響后進(jìn)行。

注2:殘余應(yīng)力可能影響準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的測(cè)量。當(dāng)試樣從具有明顯殘余應(yīng)力的區(qū)域截取時(shí),影響是顯著的。如焊接件、形狀復(fù)雜的型鋼(如熱模鍛、階段式擠壓、鑄造)等,它們不可能完全釋放應(yīng)力或有局部感應(yīng)殘余應(yīng)力。從有殘余應(yīng)力的產(chǎn)品上截取的試樣可能也有殘余應(yīng)力。在試樣的截取過(guò)程中可能部分釋放或重新分配殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力的存在仍然可能影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)。殘余應(yīng)力需疊加到外加應(yīng)力上,作用于裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng),明顯不同于僅外加力或位移。試樣機(jī)械加工中的變形,試樣幾何形狀的依賴性及在預(yù)制疲勞裂紋過(guò)程中的不規(guī)則裂紋擴(kuò)展(如裂紋前緣過(guò)度彎曲或偏離擴(kuò)展平面)經(jīng)常是受殘余應(yīng)力的影響所致。在外加力為零時(shí)的缺口張開(kāi)位移(裂紋閉合效應(yīng))表征殘余應(yīng)力的存在,并可能影響隨后的斷裂韌度測(cè)定。在GB/T 28896中描述了焊接試樣處理殘余應(yīng)力的方法。

注3:斷裂韌度值與機(jī)械加工的主變形方向、各向異性(晶粒流變)、裂紋平面取向和裂紋擴(kuò)展方向有關(guān)。

7試驗(yàn)設(shè)備

7.1試驗(yàn)機(jī)

7.1.1擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)和落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)通常用于測(cè)量三點(diǎn)彎曲試樣的動(dòng)態(tài)斷裂韌度,也可用于測(cè)量緊湊拉伸試樣的動(dòng)態(tài)斷裂韌度;液壓伺服型高速材料試驗(yàn)機(jī)常用于測(cè)量緊湊拉伸和三點(diǎn)彎曲試樣的動(dòng)態(tài)斷裂韌度。

注:擺錘式及落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)在中低加載速率下會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中的錘刃/落錘速率顯著降低,需注意試驗(yàn)中儀器化試驗(yàn)設(shè)備輸出的錘刃/落錘速率變化曲線。

7.1.2按照GB/T 19748規(guī)定設(shè)計(jì)的儀器化夏比擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī),通過(guò)擺錘釋放位置的變化改變?cè)囼?yàn)機(jī)的打擊速率。儀器化擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)可提供試驗(yàn)中的加載力-施力點(diǎn)位移關(guān)系曲線和錘刃速率變化曲線,試驗(yàn)機(jī)砧座可安裝7.2中所規(guī)定的試驗(yàn)夾具。擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的儀器化與校準(zhǔn)程序應(yīng)符合GB/T 3808的要求。

7.1.3儀器化落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)可提供試驗(yàn)中的力-位移曲線和落錘速率變化曲線,試驗(yàn)機(jī)砧座可安裝

7.2中所規(guī)定的試驗(yàn)夾具。落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的儀器化與校準(zhǔn)程序應(yīng)符合JJF 1445的要求。

7.1.4液壓伺服型高速材料試驗(yàn)機(jī)宜具備在0.001 m/s~20 m/s加載速率下皆保持恒速加載的能力[2]。

7.2試驗(yàn)夾具

7.2.1三點(diǎn)彎曲試樣的試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)宜參照GB/T 21143—2025,在加載過(guò)程中支承輥可自由向外移動(dòng)(見(jiàn)圖3),并保持整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中輥的接觸,以減少摩擦力的影響。支承輥的直徑應(yīng)為W/2~W,兩輥及上壓頭與試樣的接觸面應(yīng)互相平行,且平行度達(dá)到±0.002W。試驗(yàn)裝置和輥的硬度不小于40 HRC或試樣硬度,取其大者。加載裝置受力面的屈服強(qiáng)度不應(yīng)小于1 000 MPa。附錄A提供一種彈簧固緊式三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)夾具供參考。

7.2.2緊湊拉伸試樣的試驗(yàn)夾具宜參照GB/T 21143—2025推薦的平底加載銷(xiāo)孔U形鉤(圖4)或圓底加載銷(xiāo)孔U形鉤(圖5)進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)機(jī)夾頭應(yīng)剛性固定,應(yīng)保證試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)夾具與試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器以相同的速率運(yùn)動(dòng)。U形鉤和加載銷(xiāo)的硬度不小于40 HRC或試樣硬度,取其大者。試驗(yàn)夾具受力面和銷(xiāo)釘?shù)那?qiáng)度不應(yīng)小于1 000 MPa。

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明:

1—輥;

2—橡皮筋或彈簧;

3—固定橡皮筋或彈簧的箍。

注:表面粗糙度Ra單位為微米(μm)。

圖3三點(diǎn)彎曲試樣試驗(yàn)夾具

對(duì)于大位移量的試樣,U型鉤銷(xiāo)孔的直徑應(yīng)放大到括號(hào)內(nèi)的尺寸。

注1:加載銷(xiāo)的直徑=0.24W-0(0).005W或0.18W-0(0).005W(對(duì)于小尺寸銷(xiāo)釘孔試樣)。

注2:表面粗糙度Ra單位為μm。

圖4緊湊拉伸試樣試驗(yàn)夾具(平底型)

注1:加載銷(xiāo)的直徑=0.24W-0(0).005W或0.18W-0(0).005W(對(duì)于小尺寸銷(xiāo)釘孔試樣)。

注2:U型鉤和加載銷(xiāo)的硬度不小于40HRC或試樣硬度,取其大者。

注3:表面粗糙度Ra單位為微米(μm)。

圖5緊湊拉伸試樣試驗(yàn)夾具(圓底型)

7.2.3動(dòng)態(tài)斷裂韌度測(cè)量限位及脫離裝置見(jiàn)附錄B。

注:高應(yīng)變速率動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)中,試驗(yàn)加載裝置在試驗(yàn)過(guò)程中不能中途停止,為獲得延性試樣在設(shè)定約束下的動(dòng)態(tài)斷裂阻力曲線及臨界動(dòng)態(tài)斷裂韌度,需采用限位或脫離裝置,使得試樣以設(shè)定速率加載直至一定裂紋擴(kuò)展量,試樣與加載裝置脫離,從而獲得Up和裂紋擴(kuò)展量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

8試驗(yàn)程序

8.1一般要求

8.1.1試驗(yàn)一般在室溫下進(jìn)行,其他溫度下的試驗(yàn)可參考本文件。

8.1.2對(duì)于三點(diǎn)彎曲試樣,加載線與試驗(yàn)夾具兩輥軸線的間距應(yīng)相等,且距離之差應(yīng)小于兩輥間距的1%?？缇?/span>S應(yīng)為4W±1%。試驗(yàn)夾具兩輥的軸線保持相互平行,且偏差在±1°以內(nèi)。試樣的放置位置,應(yīng)使裂紋頂端位于兩輥正中,同時(shí)試樣應(yīng)與支承輥垂直,偏差在±2°以內(nèi)。

8.1.3對(duì)于緊湊拉伸試樣,U形鉤夾具的同軸度應(yīng)達(dá)到0.5 mm,試樣應(yīng)位于加載銷(xiāo)的中心,偏差在1 mm以內(nèi)。

8.1.4同一試驗(yàn)加載速率下的試樣數(shù)量不應(yīng)少于3個(gè)。

8.2預(yù)制疲勞裂紋

8.2.1用于動(dòng)態(tài)斷裂韌度試驗(yàn)的試樣應(yīng)預(yù)制疲勞裂紋。

8.2.2預(yù)制疲勞裂紋在室溫下進(jìn)行。

8.2.3預(yù)制疲勞裂紋應(yīng)在試樣完成制備后進(jìn)行,在整個(gè)預(yù)制疲勞裂紋過(guò)程中最大疲勞裂紋預(yù)制力應(yīng)準(zhǔn)確至±2.5%。疲勞過(guò)程中的應(yīng)力比應(yīng)在0~0.1之間,為加快裂紋萌生,可在初始的若干周次使用-1.0的應(yīng)力比。

8.2.4預(yù)制疲勞裂紋的裝置應(yīng)仔細(xì)地對(duì)中以保證施加的力在整個(gè)試樣厚度上一致,相對(duì)于預(yù)期的裂紋平面對(duì)稱地分布。

8.2.5對(duì)于三點(diǎn)彎曲試樣,在最后的1.3 mm或50%的預(yù)裂紋擴(kuò)展量取其較小值時(shí)的最大預(yù)制疲勞裂紋載荷應(yīng)取公式(1)和公式(2)結(jié)果的低值。

Ff=0.8×B(W-A0)2/S×RP…………………………（1）

Ff=ξ×E［(W×B×B_N)^0.5/g1(a0/W）］(W/S)…………………………（2）

式中:

ξ=1.6×10^-4 m^1/2;

g1(a₀/W）=3(a₀/W）^0.5［1.99-(a₀/W）(1-a₀/W）（2.15-3.93a₀/W+2.7a2 0）］/［2（1+2a₀/W）(1-A₀/W)^1.5

8.2.6對(duì)于緊湊拉伸試樣,在最后的1.3 mm或50%的預(yù)裂紋擴(kuò)展量取其較小值時(shí)的最大預(yù)制疲勞裂紋載荷應(yīng)取公式(3)和公式(4)結(jié)果的低值。

Ff=0.6×B(W-a0)2/（2W+a0）×Rp…………………………(3)

Ff=ξ×E［W×B×B_N)0.5/g2（a0/W）］…………………………(4)

式中:

ξ=1.6×10-4 m1/2;

G2(a₀/W）=(2+a₀/W）［0.886+4.64a₀/W-13.32(a₀/W）2+14.72(a₀/W）3-5.6(a₀/W）⁴］/(1-A₀/W)^1.5

8.3試驗(yàn)速率

8.3.1三點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)中,加載輥?zhàn)越佑|三點(diǎn)彎曲試樣直至試驗(yàn)加載終止,試驗(yàn)中的加載速率宜保持基本穩(wěn)定。

8.3.2緊湊拉伸動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)中,自試驗(yàn)開(kāi)始至試驗(yàn)加載終止,試驗(yàn)中的加載速率宜保持基本穩(wěn)定。8.3.3試驗(yàn)中應(yīng)力強(qiáng)度因子速率應(yīng)大于3 MPa·m1/2s-1。

注:滿足GB/T 229的夏比沖擊試驗(yàn),在沖擊速度5 m/s的條件下,能提供約105 MPam1/2s-1的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化速率[8]。

8.4試驗(yàn)終止

8.4.1動(dòng)態(tài)斷裂吸收能量測(cè)量試驗(yàn)中,當(dāng)試樣完全斷裂時(shí),試驗(yàn)視為終止。

8.4.2動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子測(cè)定試驗(yàn)中,試樣在設(shè)定速率下加載至試樣斷裂,試驗(yàn)視為終止。

8.4.3 Jd阻力曲線和臨界動(dòng)態(tài)斷裂韌度JId的測(cè)定試驗(yàn)中,試樣加載至設(shè)定裂紋擴(kuò)展量且與加載夾具脫離,試驗(yàn)視為終止。

8.5數(shù)據(jù)處理

8.5.1裂紋尖端等效應(yīng)變速率估算

裂紋尖端的等效應(yīng)變速率由公式(5)估算[4]。

Dε/dt=2R_P/t_fE…………………………(5)

式中:

Rp—試驗(yàn)溫度和準(zhǔn)靜態(tài)加載下的屈服強(qiáng)度,單位為兆帕(MPa);

E—試驗(yàn)溫度和準(zhǔn)靜態(tài)加載下的楊氏彈性模量,單位為吉帕(GPa);

tf—小尺寸屈服時(shí)至斷裂時(shí)刻所需的時(shí)間,或當(dāng)材料發(fā)生顯著彈塑性變形時(shí),力-時(shí)間關(guān)系曲線上初始線性段的時(shí)間間隔,具體如圖6所示,單位為秒(s)。

a)線彈性斷裂b)彈塑性非穩(wěn)定斷裂(Δa<0.2 mm)以及彈塑性非穩(wěn)定斷裂[0.2 mm≤Δa≤0.15(W-a0)]

圖6 tf的示意圖

c)彈塑性非穩(wěn)定斷裂[Δa>0.15(W-a0)]d)彈塑性穩(wěn)定擴(kuò)展標(biāo)引符號(hào)說(shuō)明:

X—時(shí)間;Y—力。

圖6 tf的示意圖(續(xù))

8.5.2力-位移曲線的平滑處理

對(duì)于力-位移曲線出現(xiàn)明顯波動(dòng)的情形,宜采用移動(dòng)平均算法對(duì)力-位移曲線進(jìn)行平滑處理,即按公式(6)分別對(duì)力、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

式中:

TF—平滑處理周期,根據(jù)實(shí)際平滑效果靈活確定;

xk—待處理力或位移原始記錄數(shù)據(jù),k=1,2,…,n;

Fk— 移動(dòng)平均平滑處理后的力或位移數(shù)據(jù) 。

典型的力-位移曲線見(jiàn)附錄C。

8.6 Es、KId和JId的測(cè)定

8.6.1動(dòng)態(tài)斷裂收能量Es的測(cè)定

對(duì)平滑處理后的力-位移曲線按公式(7)進(jìn)行計(jì)算得到試樣的動(dòng)態(tài)斷裂吸收能量Es。

Es =∫qf 0Fdq………………………… (7)

式中:

qf—試樣完全斷裂時(shí)的加載線位移。

注:材料的動(dòng)態(tài)斷裂吸收能量與試樣的約束狀態(tài)存在直接關(guān)系,試樣尺寸、裂紋尺寸、外部約束形式都會(huì)改變材料的動(dòng)態(tài)韌-脆轉(zhuǎn)變特性,進(jìn)而影響材料的動(dòng)態(tài)斷裂吸收能量大小。

8.6.2動(dòng)態(tài)斷裂韌度KId的測(cè)定

8.6.2.1概述

對(duì)于發(fā)生脆性斷裂的情形,可按照本節(jié)測(cè)定其條件動(dòng)態(tài)斷裂韌度KQd,并通過(guò)有效性判定是否為臨界動(dòng)態(tài)斷裂韌度KId。

8.6.2.2臨界載荷FQ的確定

8.6.2.2.1將試驗(yàn)載荷-位移曲線進(jìn)行移動(dòng)平均平滑處理,得到平滑的載荷-位移曲線。

8.6.2.2.2如圖7所示,從原點(diǎn)作直線OFd,該直線的斜率比記錄曲線的線性部分OA的斜率低ΔF/F倍。ΔF/F的值應(yīng)滿足下述要求:

a) 對(duì)于三點(diǎn)彎曲試樣,ΔF/F=0.04;

b) 對(duì)于緊湊拉伸試樣,ΔF/F=0.05。

圖7中的Ⅰ型和Ⅱ型曲線Fd之前的最大力是FQ,圖7中的Ⅲ型曲線Fd=FQ。

標(biāo)引符號(hào)說(shuō)明:

X—載荷線位移(q);

Y—力(F)。

注:原點(diǎn)O不一定是載荷與位移軸的交點(diǎn)處,點(diǎn)O位于記錄的初始線性段的最佳擬合線與位移軸的交點(diǎn)處。

圖7 FQ的確定

8.6.2.3 KQd的計(jì)算

三點(diǎn)彎曲試樣的KQd按公式(8)計(jì)算。

KQd=［S/W×F_Q/(BB_NW)］［g₁（a₀/W）］………………………… (8)

式中:

g₁（a₀/W）=3（a₀/W）^0.5［1.99-（a₀/W）（2.15-3.93a₀/W+2.7a2 0/W2）］/［2（1+2a₀/W）（1-a₀/W）^1.5］

S—跨距,見(jiàn)圖3。

緊湊拉伸試樣的KQd按公式(9)計(jì)算。

K_Qd=［F_Q/(BB_NW)^0.5］［g₂（a₀/W）………………………… (9)

式中:

g2（a₀/W）=［2+（a₀/W）［0.886+4.64（a₀/W）-13.32（a₀/W）2+14.72（a₀/W）3-5.6（a₀/W）⁴］/（1-a₀/W）^1.5

8.6.2.4 KId的有效性判定

測(cè)定材料在動(dòng)態(tài)加載下的屈服強(qiáng)度Rpd的拉伸試驗(yàn)應(yīng)變速率應(yīng)接近根據(jù)8.5.1估算的材料裂紋尖端等效應(yīng)變速率。如滿足公式(10)條件,則KQd即為滿足有效性條件的臨界動(dòng)態(tài)斷裂韌度KId。

a₀≥2.5（K_Qd/R_pd）2且B≥2.5（K_Qd/R_pd）2且(W-a₀）B≥2.5（K_Qd/R_pd）2………………………… (10)

式中:

KQd—KId的條件值,單位為兆帕米的二分之一次方(MPa·m1/2);

Rpd—材料動(dòng)態(tài)加載下的屈服強(qiáng)度,單位為兆帕(MPa);

a0—初始裂紋長(zhǎng)度,單位為米(m);

B—試樣厚度,單位為米(m);

(W-a0)—試樣寬度與初始裂紋長(zhǎng)度之差,單位為米(m)。

8.6.2.5 dKd/dt的測(cè)定

繪制載荷F隨時(shí)間t變化的曲線。如圖8所示,對(duì)最符合線性規(guī)律的F-t數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,延伸該線性擬合直線,取直線與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)到臨界載荷FQ所對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)之間的時(shí)間增量為脆性啟裂時(shí)長(zhǎng)tm(見(jiàn)圖8),則dKd/dt按公式(11)計(jì)算。

d_Kd/d_t=K_Qd/t_m…………………………(11)

圖8 tm的確定

注:最符合線性規(guī)律線性擬合中的R2不小于0.9。

8.6.3 Jd阻力曲線和臨界動(dòng)態(tài)斷裂韌度JId的測(cè)定

8.6.3.1概述

對(duì)于發(fā)生延性裂紋擴(kuò)展的情形,可按照8.6.3測(cè)定其Jd阻力曲線和條件動(dòng)態(tài)斷裂韌度JQd,并通過(guò)有效性判定是否為臨界動(dòng)態(tài)斷裂韌度JId。試驗(yàn)加載過(guò)程中的實(shí)時(shí)裂紋長(zhǎng)度可參照附錄D推薦的規(guī)則化法確定。

8.6.3.2 J的計(jì)算

對(duì)于三點(diǎn)彎曲試樣,J按公式(12)和公式(13)計(jì)算。

式中:

η(i)=1.9,γ(i)=0.9;

ΔUp(i)由公式(14)計(jì)算。

式中:

C(i)—試樣基于裂紋長(zhǎng)度ab(i)的加載線彈性柔度系數(shù)。

對(duì)于緊湊拉伸試樣,J按公式(15)和公式(16)計(jì)算。

式中:

ΔUp(i)由公式(14)計(jì)算,其中,柔度系數(shù)C(i)由公式(17)計(jì)算。

8.6.3.3 Jd阻力曲線

8.6.3.3.1 Jd與Δa的斷裂阻力曲線由8.6.3.2得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成(見(jiàn)圖9)。

8.6.3.3.2過(guò)Δa最大數(shù)據(jù)點(diǎn)作鈍化線的平行線與橫坐標(biāo)軸交于一點(diǎn),此點(diǎn)的橫坐標(biāo)值定義為Δamax。Δamax應(yīng)滿足公式(18)。

0.5≤Δamax≤0.25(W-a0) 

Jd=3.75RmdΔa…………………………(19)

式中:

Rmd—動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度。

過(guò)Δamax作鈍化線的平行線定義為有效裂紋擴(kuò)展量的右邊界線。

標(biāo)引符號(hào)說(shuō)明:

X—裂紋擴(kuò)展量(Δa),單位為毫米(mm);

Y—斷裂阻力(J),單位為千焦每平方米(kJ/m2);×—試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

至少需6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。每一個(gè)裂紋長(zhǎng)度區(qū)間應(yīng)至少包含一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

a鈍化線。

b擬合曲線。

c左、右邊界線。

d不同的裂紋長(zhǎng)度區(qū)間。

圖9測(cè)定Jd阻力曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布

式中α和β≥0,0≤γ≤1。

注:估算α、β和γ常數(shù)的方法見(jiàn)GB/T 21143—2025的附錄M。

8.6.3.3.5在估算材料裂紋尖端應(yīng)變速率后,可開(kāi)展材料在該應(yīng)變速率下的拉伸試驗(yàn),獲得該材料動(dòng)態(tài)加載下的屈服強(qiáng)度Rpd和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度Rmd,以計(jì)算材料Jd,max。每個(gè)試樣的Jd,max按公式(21)、公式(22)和公式(23)計(jì)算,取其中的最小值。

按照上式計(jì)算的最小Jd,max作Jd-Δa阻力曲線的上邊界線。

8.6.3.4 JId的測(cè)定和判定

8.6.3.4.1按照8.6.3.3繪制擬合Jd阻力曲線,應(yīng)在0.1 mm和0.3 mm鈍化線偏置線之間至少有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),在0.1 mm和0.5 mm鈍化線偏置線之間應(yīng)至少有兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(見(jiàn)圖10)。按照公式(20)擬合的曲線應(yīng)至少包括6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

8.6.3.4.2在圖10上偏置0.2 mm處作鈍化線的平行線。擬合曲線與0.2 mm偏置線的交點(diǎn)定義為JQd。

標(biāo)引符號(hào)說(shuō)明:

X—裂紋擴(kuò)展量(Δa),單位為毫米(mm);

Y—斷裂阻力(J);×—試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

要求至少6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

a鈍化線。

b應(yīng)至少一個(gè)點(diǎn)。

c應(yīng)至少兩個(gè)點(diǎn)。

d按照?qǐng)D9的數(shù)據(jù)分布區(qū)域。

圖10測(cè)定JQd的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布

8.6.3.4.3測(cè)定材料動(dòng)態(tài)加載下的屈服強(qiáng)度Rpd和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度Rmd的拉伸試驗(yàn)應(yīng)變速率應(yīng)接近根據(jù)

8.5.1估算的材料裂紋尖端應(yīng)變速率。如JQd滿足以下條件,則JQd是非尺寸敏感的,可判定為JId。

a)JQd<Jd,max;

b)20JQd/(Rpd+Rmd)≤a0;

c)20JQd/(Rpd+Rmd)≤B;

d)20JQd/(Rpd+Rmd)≤(W-a0);

e)Jd-Δa曲線在0.2 mm裂紋擴(kuò)展位移偏置線交點(diǎn)處的斜率(dJd/da)Q滿足公式(24)要求。

?÷<1.875Rmd…………………………(24)

8.6.3.5 dJd/dt的測(cè)定

繪制Jd隨時(shí)間t變化的曲線,對(duì)0.5JQd~JQd范圍內(nèi)的Jd-t數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,其斜率即為dJd/dt。8.6.3.6多試樣試驗(yàn)

通過(guò)多試樣法測(cè)定動(dòng)態(tài)Jd-Δa阻力曲線,當(dāng)穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展了特定量Δa時(shí),中止斷裂過(guò)程,重復(fù)試驗(yàn)直到有足夠多的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制Jd-Δa阻力曲線。

8.6.3.7單試樣試驗(yàn)

載荷分離法可由試樣的載荷-位移曲線結(jié)合打開(kāi)的試樣斷面測(cè)量的初始和最終裂紋長(zhǎng)度,標(biāo)定出試樣的實(shí)時(shí)裂紋長(zhǎng)度,確定Jd阻力曲線。載荷分離法指南見(jiàn)GB/T 21143—2025中附錄E,該方法適用于本文件。采用規(guī)則化法測(cè)定實(shí)時(shí)裂紋長(zhǎng)度的方法見(jiàn)附錄D。

8.6.3.8試驗(yàn)后的裂紋長(zhǎng)度測(cè)量

試樣在試驗(yàn)后應(yīng)被打斷,進(jìn)行斷口檢查測(cè)定原始裂紋長(zhǎng)度a0及在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量Δa。測(cè)量原始裂紋長(zhǎng)度與穩(wěn)定或不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量時(shí),應(yīng)采用GB/T 21143—2025規(guī)定的方法(即9點(diǎn)平均法)。無(wú)論何種情形,均應(yīng)在報(bào)告中記錄不規(guī)則裂紋前緣的情況[3]。

注1:對(duì)于某些試驗(yàn),有必要在試樣打斷之前標(biāo)記出穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的范圍。穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量能通過(guò)加熱著色(氧化發(fā)藍(lán))或試驗(yàn)后二次疲勞的方法標(biāo)記。注意盡量減小試驗(yàn)后試樣的變形。對(duì)于具有韌脆轉(zhuǎn)變特性的材料一般預(yù)先冷卻試樣,有助于確保打斷試樣時(shí)發(fā)生脆斷而減小變形。

注2:若加熱著色(氧化發(fā)藍(lán))后試樣斷口上疲勞裂紋、穩(wěn)定擴(kuò)展裂紋與脆性裂紋間反差較小,使用顯微鏡測(cè)定裂紋長(zhǎng)度時(shí)采用暗場(chǎng)照明或?yàn)V鏡。對(duì)斷口進(jìn)行數(shù)碼拍攝,并隨后借助數(shù)字化圖像分析軟件更有助于獲得可靠的結(jié)果。

9試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值修約

試驗(yàn)測(cè)定的性能結(jié)果數(shù)值應(yīng)按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行修約。如未規(guī)定具體要求,應(yīng)按照以下要求進(jìn)行修約。對(duì)于KId,KQd以及JId,JQd,Jd,max應(yīng)保留三位有效數(shù)字;對(duì)于Es應(yīng)準(zhǔn)確到0.1 J。修約的方法按照GB/T 8170執(zhí)行。

10試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容:

a)本文件編號(hào);

b)材料信息;

c)試樣類(lèi)型及尺寸;

d)裂紋尺寸;

e)試驗(yàn)設(shè)備;

f)試驗(yàn)溫度;

g)加載速率;

h)試驗(yàn)結(jié)果。